郭 佳 宗 鳴

基于GPS的露天皮帶輸送機(jī)故障定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

郭 佳 宗 鳴

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽 110870）

現(xiàn)有的皮帶輸送機(jī)定位系統(tǒng)多選用編碼器進(jìn)行故障定位，故障時傳輸相應(yīng)編碼器的編號，不能得到精準(zhǔn)故障位置。針對現(xiàn)有定位系統(tǒng)存在的問題，本文提出一個基于全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的皮帶輸送機(jī)故障定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用GPS技術(shù)對皮帶輸送機(jī)進(jìn)行故障定位，并通過控制域網(wǎng)（CAN）總線實時地將故障發(fā)生時間信息和故障發(fā)生位置上傳到總站，利用RS 485總線與PC端實現(xiàn)通信，能夠同時滿足快速性、精確性及便捷性的要求。通過實驗驗證，系統(tǒng)能夠滿足工作需要。

皮帶輸送機(jī)；故障定位；全球定位系統(tǒng)（GPS）；控制域網(wǎng)（CAN）總線

0 引言

隨著工業(yè)化水平提高，皮帶輸送機(jī)被廣泛應(yīng)用在煤炭運輸?shù)阮I(lǐng)域，同時，以皮帶輸送機(jī)為主的運輸設(shè)備逐漸向高速度、大運量、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展[1-2]。皮帶輸送機(jī)在進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^程中，一旦其發(fā)生故障，會引起整個系統(tǒng)停運，所以快速并精準(zhǔn)地找到故障位置對提高皮帶輸送機(jī)工作效率及運行可靠性尤為重要。經(jīng)過查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，故障定位技術(shù)在多個領(lǐng)域都十分重要[3-4]。工業(yè)領(lǐng)域大多采用全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）實現(xiàn)對故障位置的確定[5-6]。GPS技術(shù)最早是由美國在1988年為了軍事工作所研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。經(jīng)過近四十年的發(fā)展，目前GPS可以在全球任意一點使用[7]。隨著GPS技術(shù)的不斷進(jìn)步與優(yōu)化，其依靠精準(zhǔn)性、快速性的特點走進(jìn)各大工業(yè)領(lǐng)域及日常生活中，基于GPS技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用逐漸增多并取得了較大的成功。目前在工礦企業(yè)中，GPS技術(shù)主要應(yīng)用于礦山測量[8]，現(xiàn)有的傳輸系統(tǒng)大多為編寫地址碼，所以本文提出引入GPS技術(shù)，以提升整個系統(tǒng)的故障定位能力。

針對現(xiàn)有的皮帶輸送機(jī)故障定位系統(tǒng)，大多數(shù)學(xué)者提出基于控制域網(wǎng)（control area network, CAN）總線的故障定位方法[9-10]，主要是將各個采集站在安裝時按順序分別編號，出現(xiàn)故障時通過CAN總線上傳故障編號至總站[11-12]。相比于之前的僅依靠RS 485總線傳輸?shù)南到y(tǒng)，該方法在傳輸能力上有一定提升，但仍存在以下缺點：①在安裝上千個故障定位系統(tǒng)的幾十公里線路中，需要對每個定位系統(tǒng)進(jìn)行編碼，工作量較大、工作時間較長；②一旦更改任意一段路線，后面的定位系統(tǒng)則需要重新編號；③總站端只能接收編碼信息，一旦故障出現(xiàn)就需要在上千個編碼中查詢相應(yīng)故障點。針對以上存在的問題，本文對系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)：通過引入GPS技術(shù)可直接傳輸故障發(fā)生具體位置的經(jīng)緯度信息，并據(jù)此找到故障位置。該系統(tǒng)不用在安裝或更換時重新編碼，在故障出現(xiàn)時也無需再次解碼即可通過經(jīng)緯度信息快速、精準(zhǔn)地找到故障位置。

為了實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的故障定位，本文設(shè)計一套基于GPS技術(shù)的故障定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為采集站和總站兩部分，采集站負(fù)責(zé)接收來自衛(wèi)星的位置及時間信息，當(dāng)出現(xiàn)故障時通過CAN總線將其傳輸至總站。總站主要負(fù)責(zé)將接收到的相關(guān)信息通過RS 485總線傳輸至PC端并報警。PC端顯示故障發(fā)生的位置信息。系統(tǒng)的信息流向如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)信息流向

1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計

本文所設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵在于位置信息的獲取及信息的傳遞，根據(jù)系統(tǒng)工作的實際情況，需要通過兩部分實現(xiàn)。一部分安裝在各個故障檢測處，主要負(fù)責(zé)接收GPS信號及監(jiān)測是否發(fā)生故障，命名為采集站；另一部分為監(jiān)測端，主要是接收來自采集站的故障位置信息并實現(xiàn)與PC端通信，便于工作人員了解故障發(fā)生位置，命名為總站。由于系統(tǒng)數(shù)量較多，所以選用具有較好通信能力的CAN總線進(jìn)行傳輸，但CAN總線不能直接進(jìn)行串口通信，需要借助RS 485總線實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CANH、CANL為CAN模塊的傳輸線，沿皮帶輸送機(jī)全線架設(shè)，采集站間隔一定距離分布在皮帶輸送機(jī)沿線上，各個采集站連接在CANH、CANL上；總站設(shè)置在控制室，接收來自CAN總線所傳輸?shù)亩ㄎ恍畔ⅲㄟ^RS 485總線實現(xiàn)與PC端通信。

1.1 采集站硬件設(shè)計

采集站集成了單片機(jī)、GPS模塊、CAN總線模塊及撥動開關(guān)。主芯片是故障定位及信號上報的關(guān)鍵控制部件。本文所選用的主控制芯片均為ST公司出品的32位STM32F103單片機(jī)，無論在性能還是功耗上都具有一定優(yōu)勢[13]。圖3為采集站結(jié)構(gòu)。

當(dāng)皮帶輸送機(jī)存在打滑、跑偏等問題導(dǎo)致皮帶輸送機(jī)停運時，撥動開關(guān)動作，主芯片檢測到故障開關(guān)動作后，立即記錄GPS模塊接收的位置信息及撥動開關(guān)動作時間，通過CAN總線向總站傳輸故障時間及故障位置經(jīng)緯度。

圖3 采集站結(jié)構(gòu)

1.2 總站硬件設(shè)計

總站主要集成了STM32單片機(jī)、MAX485模塊、CAN總線模塊及蜂鳴器模塊。

當(dāng)總站收到采集站傳輸?shù)臅r間信息和故障位置經(jīng)緯度信息時，蜂鳴器模塊工作，提醒工作人員皮帶輸送機(jī)出現(xiàn)異常。主芯片記錄CAN接收器所接收的信息并通過RS 485串口進(jìn)行通信，PC端顯示故障位置信息及時間數(shù)據(jù)，以便工作人員迅速了解故障位置，圖4為總站結(jié)構(gòu)。

圖4 總站結(jié)構(gòu)

采集站、總站均設(shè)有復(fù)位開關(guān)，當(dāng)故障解除后，現(xiàn)場處理人員與監(jiān)控人員均可將開關(guān)復(fù)位，開關(guān)復(fù)位后系統(tǒng)可繼續(xù)正常運行。

1.3 GPS模塊的硬件電路設(shè)計

GPS模塊作為故障定位系統(tǒng)的核心部件，其主要的任務(wù)是獲取時間及位置信息。

本文設(shè)計的系統(tǒng)選取靈敏性較高、經(jīng)濟(jì)性較好的小型GPS-OME模塊，主要是因為：①民用GPS-OME模塊精度平均在10m左右，信號越好（或直接觀看到天空的面積越大），定位精度越高。本文涉及露天環(huán)境，定位精度可以達(dá)到3～5m。由于定位系統(tǒng)安裝間隔為50m，所以精度滿足系統(tǒng)需求；②本文所設(shè)計的系統(tǒng)主要工作在偏遠(yuǎn)地區(qū)且可能為茂密的森林，普通的GPS模塊難以在這種環(huán)境下工作，本文所選用的GPS-OME模塊則可以適應(yīng)皮帶輸送機(jī)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓ぷ鳝h(huán)境。該模塊還可以直接與芯片進(jìn)行串口通信，所以GPS-OME模塊可以直接向主芯片發(fā)送位置信息，主芯片接收信號后進(jìn)行相應(yīng)處理。

GPS-OME模塊與主芯片間使用NEMA協(xié)議[14]，時間及定位信息采用ASCII碼傳遞。GPS與單片機(jī)連接方式如圖5所示。其與主芯片通過引腳3連接單片機(jī)RXD引腳，引腳4連接單片機(jī)TXD引腳。

1.4 CAN總線的硬件電路設(shè)計

CAN總線模塊的主要任務(wù)是在皮帶輸送機(jī)發(fā)生故障時，在主芯片的控制下將GPS模塊采集的位置及時間信息傳遞至主站。

圖5 GPS與單片機(jī)連接方式

CAN總線擁有高速、抗干擾、熱防護(hù)等一系列優(yōu)點。系統(tǒng)中所選主芯片STM32F103C8T6自帶CAN總線接口，同時適用CAN2.0A與CAN2.0B協(xié)議，可通過軟件配置傳輸速率，但CAN控制器不能提供物理層驅(qū)動，可借助CAN收發(fā)芯片進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換解決這一問題。該系統(tǒng)使用TJA1050芯片運用CAN2.0B協(xié)議完成CAN總線高速收發(fā)，芯片內(nèi)部集成了隔離及保護(hù)器件，將120Ω的電阻接在總線兩側(cè)，主要目的是提高傳輸過程中的耐擾性與可靠性，同時對各個節(jié)點的拓?fù)淠芰σ灿幸欢ǖ奶嵘齕15]。在硬件電路連接中，TXD引腳和RXD引腳負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)連接單片機(jī)的PA12與PA11，CAN總線與單片機(jī)連接方式如圖6所示。

圖6 CAN總線與單片機(jī)連接方式

1.5 MAX485的硬件電路設(shè)計

MAX485芯片主要負(fù)責(zé)總站與上位機(jī)的通信工作，將接收到來自采集站與總站之間使用CAN總線傳輸?shù)男畔?，通過RS 485接口實現(xiàn)與PC端的實時通信。MAX485芯片與單片機(jī)連接方式如圖7所示。雖然CAN總線具有較好的傳輸性能，但是仍無法與上位機(jī)之間實現(xiàn)直接通信，需要借助Modbus協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖7 MAX485與單片機(jī)連接方式

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用與硬件設(shè)計相似的模塊化方法，包括主程序、GPS模塊、通信模塊及相應(yīng)I/O口連接。系統(tǒng)的整體流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體流程

本文中GPS-OME模塊的通信協(xié)議采用常用的NMEA協(xié)議，由于通信衛(wèi)星的數(shù)量在逐年增加，針對不同的報文具有不同的報頭。本文采用的GPS報頭為GP，所需數(shù)據(jù)主要包括幀數(shù)據(jù)、起始點及終止點[14]。針對不同的幀數(shù)據(jù)，NMEA具有多種語句，可提供位置、時間、速度等信息。根據(jù)本系統(tǒng)的實際需求，僅需要位置及時間信息，所以本系統(tǒng)采用$GPGGA語言，通過該語言可獲取時間、經(jīng)緯度、衛(wèi)星顆數(shù)等相關(guān)信息。NMEA協(xié)議語句格式見表1。

表1 NMEA協(xié)議語句格式

GPS-OME接收板在接收GPS信息時將接收大量的數(shù)據(jù)，但是本文所設(shè)計的系統(tǒng)只需要接收時間及位置信息，所需要的數(shù)據(jù)量較小可直接將定位信息發(fā)送至主芯片進(jìn)行下一步處理。該過程中需對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行中斷處理，根據(jù)NMEA協(xié)議的特點，當(dāng)檢測到$GPGGA時開始記錄數(shù)據(jù)中“，”個數(shù)，當(dāng)“，”個數(shù)等于6時改變寄存器數(shù)據(jù)，上傳至主芯片，實現(xiàn)GPS信息的采集與上傳。

在出現(xiàn)故障時，主芯片利用CAN總線技術(shù)將獲取到的GPS-OME接收的數(shù)據(jù)傳輸至總站。CAN總線協(xié)議具有無破壞的總線仲裁技術(shù)、多機(jī)通信等優(yōu)點，本設(shè)計在軟件設(shè)計過程中采用CAN的電氣標(biāo)準(zhǔn)。

由于CAN總線不能直接與PC端實現(xiàn)串口通信，所以要將各個采集站檢測到的信息通過各個CAN總線傳輸至總站，通過總站主芯片轉(zhuǎn)換為RS 485接口的Modbus協(xié)議，在PC端顯示故障位置信息，最終實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)。

3 系統(tǒng)整體測試

為了更好地測試系統(tǒng)運行性能，本次實驗選擇在室外較寬闊地區(qū)進(jìn)行。系統(tǒng)實物如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)實物

GPS模塊綠燈閃爍代表GPS信號接收正常。采集站撥動模擬故障開關(guān)后主站蜂鳴器報警，PC端顯示故障信息如圖10所示。

圖10 故障信息

通過對系統(tǒng)的測試情況來看，傳輸時間大概在1s左右，經(jīng)查詢，測試地點的坐標(biāo)信息為N:45.098075, E:126.594670，我國常用的為WGS1984坐標(biāo)，根據(jù)緯度關(guān)系1s相差的距離約為30.83m，經(jīng)換算可得實驗緯度誤差為0°00.0684，實驗所獲取的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相比相差1.99m。同理，經(jīng)度1s相差23.6m，經(jīng)換算可得實驗經(jīng)度誤差為0°00.054，實驗所獲取的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相比相差1.2744m。實驗誤差數(shù)據(jù)見表2。

表2 實驗誤差數(shù)據(jù)

目前長距離皮帶輸送機(jī)約20km，多數(shù)故障定位系統(tǒng)每隔50m安放一個，根據(jù)實驗所得的結(jié)果，2m的誤差完全可以滿足實驗的需求。經(jīng)過不同地點的多次實驗，系統(tǒng)接收的經(jīng)緯度信息與實際經(jīng)緯度信息相近，符合實驗要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

面對皮帶輸送機(jī)遠(yuǎn)距離、大容量的發(fā)展趨勢，故障位置的確定成為保證皮帶輸送機(jī)安全運行的重要環(huán)節(jié)。通過分析現(xiàn)有故障定位系統(tǒng)的不足，本文提出了基于GPS的露天皮帶輸送機(jī)故障定位系統(tǒng)，由于采用了GPS作為定位工具，可以在故障發(fā)生后1s左右獲取到精準(zhǔn)經(jīng)緯度信息，定位精度可達(dá)2m，相比現(xiàn)有系統(tǒng)，所提系統(tǒng)省去了編碼及解碼的環(huán)節(jié)，大幅減少了故障定位的時間及安裝或更改過程中的工作量，同時解決了現(xiàn)有系統(tǒng)無法得到準(zhǔn)確定位信息的問題。選用GPS技術(shù)使整個故障定位系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、快速性、便捷性及經(jīng)濟(jì)性方面都有大幅提升。系統(tǒng)實驗測試結(jié)果達(dá)到了實際預(yù)期。

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Design and implementation of fault location system for outdoor belt conveyor based on GPS

GUO Jia ZONG Ming

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

The existing belt conveyor positioning systems mostly use encoders to locate faults, and when faults occur, the numbers of corresponding encoders are transmitted, so the precise fault location cannot be obtained. Aiming at the problems existing in the current positioning systems, this paper proposes a belt conveyor fault positioning system based on the global positioning system (GPS) technology. This system mainly uses GPS technology to locate the faults of belt conveyor, uploads the fault occurrence time information and fault position to the main station in real time through control area network (CAN) bus and realizes communication with PC by RS 485 bus. It can meet the requirements of rapidity, accuracy and convenience. Through the corresponding experimental verification, the system can meet the needs of the work.

belt conveyor; fault location; global positioning system (GPS); control area network (CAN) bus

2020-01-26

2021-02-07

郭 佳（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向為皮帶輸送機(jī)故障定位系統(tǒng)。